压控振荡器电路的组成及相位平衡条件判别方法

压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）的特征是输出信号的频率随输入电压的变化而变化。如果能够找到参数随输入电压而变化的电容或电感器件，用该器件组成选频网络，就可以组成输出信号的频率随输入电压的变化而变化的压控振荡器。

1.变容二极管

变容二极管就是一个电容值随控制电压变化而变化的器件。变容二极管是利用二极管PN结电容的值随反向偏置电压的变化而变化的特性，制成的一种压控电抗元件。

图9-11 典型的石英晶体正弦波振荡器的电路与仿真实验的结果

变容二极管在电路中必须工作在反向偏置的状态下，变容二极管结电容的值与偏置电压的关系为

式中，γ为变容指数，其值随PN结的结构变化而变化；u_R为变容二极管所加反向偏置电压的绝对值；u_D为变容二极管PN结的内电压；C_o为u_R=0时的结电容。

2.压控振荡器（VCO）

利用变容二极管替代图9-9电路中的电容C₃，并用输入信号电压控制电容C₃的值，就可以组成压控振荡器。压控振荡器电路的组成和仿真实验的结果如图9-12所示。

在图9-12中，变容二极管旁边的控制电压是直流电压，当控制电压源u_c由直流偏置电压U_s和交流信号电压u_Ω（t）组成时，u_c（t）的表达式为

u_c（t）=U_s+u_Ω（t） （9-8）

如果将u_Ω（t）看成是携带信息的调制信号，图9-12所示的电路就可以实现输出信号的频率随调制信号幅度的变化而变化的目的。

输出信号的频率随调制信号幅度的变化而变化的调制称为调频技术。在调频技术中，当调制信号的值为零时，调频信号的频率为中心频率f₀。当调制信号的幅度不是零时，调频信号的频率将偏离中心频率f₀的值，偏离的量与调制信号的幅度有关，实现了将输入的调制信号幅度变化的情况，转变成输出信号频率变化的目的。因为在通信领域将能够实现这个功能的电路称为调频电路，所以图9-12所示的电路又称为调频电路。

由上面的分析讨论可知，正弦波振荡器的基本放大器可以由晶体管组成，也可以由运算放大器和场效应晶体管组成相应的放大电路。反馈网络通常是选频网络的部分电路，选频网络可以是RC、LC或者石英晶体，对振荡电路的分析主要是动态分析，判断电路是否满足振荡的相位条件。

(www.xing528.com)

图9-12 压控振荡器电路的组成和仿真实验的结果

【例9-1】 用相位平衡的条件判别图9-13所示的各电路是否会产生振荡，若不会产生振荡，请改正。

图9-13 例9-1图

解 图9-13a所示电路的放大器是单端输入、单端输出的差动放大器，反馈网络和选频网络是RC选频电路。用瞬时极性判别法可得，当VT₁管的基极注入正极性的信号时，VT₁管的集电极为负极性信号，而VT₂管的集电极为正极性信号，该信号经RC选频网络反馈到VT₁管基极的信号为正极性信号，所以该电路的反馈是正反馈，满足振荡器起振的相位条件，该电路有可能成为振荡器。用运算放大器替代图9-13a所示的差动放大器，即可组成RC正弦波信号发生器电路。

图9-13b所示电路的放大器是反相比例运算放大器，反馈网络是RC移相电路，该放大器的输出信号与输入信号反相。因运算放大器的输出信号经二级RC移相网络反馈到输入端，二级RC移相网络的最大相移是180°，移相网络和反相比例运算放大器两级电路总的最大相移为360°，考虑到两级RC移相网络移相的极限和数值的差别，运算放大器不可能形成正反馈，不满足振荡器起振的相位条件，电路不可能产生振荡，在电路中再增加一级RC移相网络，有可能使电路产生振荡。RC移相网络正弦波振荡器在Multisim上仿真实验的结果如图9-14所示。

图9-14 RC移相网络正弦波振荡器仿真实验的结果

图9-14中示波器屏幕上的波形清晰地显示出在图9-13b所示的电路中再增加一个RC移相网络，使运算放大器工作在正反馈的状态下，电路就可以输出正弦波信号。

图9-13c所示电路的放大器是共基极组态的电路，反馈网络是变压器耦合电路。用瞬时极性判别法可得，在晶体管的发射极注入正极性的信号时，晶体管的集电极也为正极性信号，即L2电感上的信号是下“+”，上“-”，该信号经变压器耦合到L1电感上的信号是下“-”，上“+”，形成正极性的反馈信号，使放大电路工作在正反馈的状态下，满足振荡器起振的相位条件，该电路有可能成为振荡器。

图9-13d所示电路的放大器是共源极电路，反馈网络是变压器耦合电路。由瞬时极性判别法可得，在场效应晶体管的栅极注入正极性的信号时，场效应晶体管的漏极为负极性信号，即L2电感上的信号是右“-”、左“+”，该信号经变压器耦合到L1电感上的信号也是右“-”、左“+”，形成负极性的反馈信号，放大电路工作在负反馈的状态下，不满足振荡器起振的相位条件，该电路不可能成为振荡器。将电路中电感L₁的同名端位置对调，即可实现负反馈向正反馈的转化，使电路满足起振的相位条件，电路有可能成为振荡器。用Multisim软件仿真实验的结果如图9-15所示。

图9-15 用Multisim仿真实验的结果

图9-15所示的电路清晰地显示出将图9-13d所示电路中变压器的同名端对调以后，电路的反馈为正反馈，满足产生振荡的相位条件，当幅度条件也满足时，电路将输出图9-15中示波器屏幕上所示的正弦波信号。